Palivové články s protonovou výměnnou membránou (PEM).patří mezi nejslibnější technologie pro dosažení "carbon peak" a "carbon neutrality." Přestože palivové články PEM zaznamenaly v posledních několika stoletích vzestupy a pády, v současnosti hrají zásadní roli při budování udržitelné společnosti. dnešníPEM palivové článkynabízejí výrazně nižší obsah platiny (Pt) ve srovnání s dřívějšími generacemi. Například celkové zatížení palivovým článkem Toyota Mirai první generace (2017), který byl prvním komerčně dostupným vozidlem s palivovými články PEM, je pouze 0,365 mg cm⁻², což je podstatné snížení ve srovnání s prvním praktickým palivovým článkem z roku 1962, který měl zatížení Pt 35 mg cm⁻² a jako elektrolyt používal roztok hydroxidu draselného. Významný pokrok v palivových článcích PEM je připisován nejen vývoji katalytických vrstev, ale také nahrazení tradičních elektrolytů v kyselém/zásaditém roztoku pokročilými pryskyřicemi na bázi kyseliny perfluorsulfonové (jako je Nafion). Od jejich zavedení v 70. letech 20. století tyto materiály vyvinuly strukturu membránových elektrodových sestav (MEA) a související výrobní procesy.
PEM palivové článkypostupně našly komerční využití, například slouží jako zdroje energie pro vozidla. Společnosti jako Toyota, Hyundai a Honda uvedly na trh vozidla s palivovými články. Však,PEM palivové článkyv současnosti čelí konkurenci ze strany spalovacích motorů a baterií, především kvůli jejich vysokým nákladům a kratší životnosti. K překonání těchto výzev je nezbytný vývoj pokročilých materiálů a výrobních technologií. Tento pokrok vyžaduje úzkou spolupráci mezi podniky, univerzitami, výzkumnými institucemi, zákazníky a vládami. V tomto procesu by se měl základní výzkum zaměřit na vývoj vysoce výkonných a odolných MEA, zatímco průmyslové úsilí by mělo zvážit zvýšení výroby klíčových materiálů a komponentů. V současné době jsou komponenty MEA, včetně katalyzátorů, ionomerů, membrán a plynových difúzních vrstev (GDL), úspěšně implementovány do průmyslové výroby. Integrace těchto materiálů do MEA však často vede ke značným ztrátám výkonu. Technická komunita věnovala značnou pozornost kompatibilitě komponent a vyvinula vylepšené výrobní procesy MEA založené na tomto porozumění.
2. Nejnovější pokroky v klíčových materiálech pro membránové elektrody
MEA je hlavním místem pro elektrochemické reakce a hraje klíčovou roli v palivových článcích PEM. MEA se obvykle skládají ze šesti hlavních složek: katalyzátorů, ionomerů, protonových výměnných membrán, plynových difúzních vrstev (GDL), lepidel a rámů. Operační mechanismus MEA je znázorněn na obrázcích. Elektrická energie je generována nezávislými redoxními reakcemi probíhajícími na anodě a katodě. Proto je nezbytné studovat kinetiku těchto redoxních reakcí, což vyžaduje účinné katalyzátory pro urychlení reakční kinetiky. Typicky katalyzátory fungují ve vrstvě katalyzátoru, umístěné mezi GDL a PEM. Pro usnadnění přenosu protonů ve vrstvě katalyzátoru a zvýšení její mechanické pevnosti je třeba použít ionomery s vlastnostmi vodivosti protonů. Složení ionomeru se obvykle shoduje se složením membrány pro výměnu protonů, což umožňuje rychlý přenos protonů z anody na katodu a zároveň zabraňuje křížení vodíku a kyslíku během provozu. Kromě toho jsou hydrofobní GDL na obou stranách klíčové pro distribuci plynu a odstraňování přebytečné vlhkosti, což je nezbytné pro hospodaření s vodou v palivových článcích. Tyto materiály jsou jádrem MEA.
